¡Descarga Energía mecánica. La energía mecánica de un cuerpo
o sistema puede variar. y más Apuntes en PDF de Física solo en Docsity!
La energía existe en el universo de varias formas: energía mecánica, energía electromagnética, química, energía termal, y energía nuclear en términos simples, el universo no es más que una transformación continua de energía.
Podemos definir el concepto energía como la habilidad de causar cambios.
Nosotros nos centramos principalmente en relacionar la energía con la capacidad para transmitir movimiento, es decir, para desarrollar el trabajo mecánico. Para ello, debemos conocer algunas de las formas en que se presenta la energía
1. ENERGÍA CINÉTICA DE TRASLACIÓN
(E K )
Es la medida escalar del movimiento de traslación de un cuerpo o partícula. Esta energía se puede obtener a través del trabajo que se efectúa para mover un cuerpo. V
Ek = 2
(^1) mv 2
Unidad en el SI:
- Joule (J)
- m: masa del cuerpo (kg)
- v: rapidez del cuerpo (m/s)
2. ENERGÍA POTENCIAL
La energía potencial se define solo para cierta cla- se de fuerzas denominadas fuerzas conservativas. La fuerza de gravedad y la fuerza del resorte; así como la fuerza electromagnética, se conocen como fuerzas conservativas.
Existen otras; como la fuerza de fricción, que es una fuerza no conservativa. En situaciones donde una fuerza conservativa ope- ra entre los objetos del sistema, es útil y convenien- te definir otra clase de energía (energía potencial). La energía potencial (Ep) se relaciona con la confi- guración de un sistema. Aquí «configuración» sig- nifica cómo las partes de un sistema están situados o dispuestas entre sí (por ejemplo, la comprensión o estiramiento del resorte en el sistema de blo- que–resorte o la altura de la bola en el sistema de bola–tierra).
m
K
Un bloque se mueve bajo la acción de la fuerza de un resorte
Se arroja una bola hacia arriba contra la gravedad de la Tierra
Ahora, estamos en posibilidad de explicar el cálcu- lo de la energía potencial con dos ejemplos de las fuerzas conservativas para el sistema bloque -re- sorte y el sistema bola-tierra.
A. Energía potencial gravitatoria (Epg)
Es la medida escalar de la interacción gravitatoria de un cuerpo y la tierra.
Esta energía se almacena en el sistema cuerpo-tierra cuando desarrollamos trabajo para separarlos. La energía potencial gravitatoria depende de la fuerza de gravedad del cuerpo y de la altura medida a partir del nivel de referencia (N.R.), en donde la energía potencial es cero.
ENERGÍA MECÁNICA
m g
N.R.
h
EPg = ±m.g.h
Unidad según el SI:
- Joule (J)
- m: masa del cuerpo (kg)
- g: aceleración de la gravedad (m/s 2 )
- d: distancia vertical que existe entre el C.G. del cuerpo y e N.R.(m)
- (+): por encima del nivel de referencia.
- (–): por debajo del nivel de referencia.
- (nula) si está en el mismo nivel de referencia
B. Energía potencial elástica (Epe)
Es la energía que almacena un cuerpo elástico de- bido al trabajo que se desarrolla para deformarlo (estirarlo o comprimirlo). Para el caso particular de un resorte ideal (de masa despreciable), se calcula así:
x
FR
FD
Unidad según el SI: Joule (J) K: constante de rigidez del resorte (N/m) X: elongación del resorte (m) La suma de estas tres formas de energía recibe el nombre de «energía mecánica (EM)». Es decir:
E (^) M = EC + Ep
Siendo Ep = Epg + Epe
Datos:
La energía mecánica de un cuerpo o sistema puede variar, ya que por lo general al analizar un fenómeno físico vemos que una forma de energía se transforma en otra.
FUERZAS CONSERVATIVAS
Se denomina así a aquellas fuerzas que cumplen las siguientes definiciones, las cuales son equivalentes. Considera el trabajo total efectuado por una fuerza que opera sobre una partícula a medida que esta se mueve alrededor de una trayectoria cerrada y retorna a su punto de partida. Si es cero, la llamaremos fuerza conservativa. Si la fuerza total del viaje redondo no es cero, la llamaremos fuerza no conservativa.
Ejemplo: Suponiendo que se lanza un bloque sobre un piso áspero: En el punto A el bloque tiene EM; sin embargo, la fuerza de rozamiento cinético fc lo va deteniendo hasta que en el punto B su EM es cero. Luego, la EM no se conserva.
Conclusión: La energía mecánica de un cuerpo y/o sistema se conserva (no cambia de valor) siempre y cuando las fuerzas no conservativas no efectúen trabajo mecánico. En general:
DEM = Wfnc
En cambio, la energía mecánica de un cuerpo o sistema es numéricamente igual al trabajo desarrollado en él por las fuerzas que actúan en él (sin considerar las fuerzas de gravedad y elástica). La conservación de la energía requiere que la energía mecánica total de un sistema permanezca constante en cualquier «sistema aislado» de objetos que interactúan solo a través de fuerzas conservativas.
Ei = Ef
Nivel I
1. Un neutrón de 4 × 10 –27^ kg de masa es emitido por un núcleo de uranio, recorriendo 8 m en 4 × 10 –4^ s. Determina su energía cinética en joule. a) 8 × 10 –19^ d) 18 × 10 – b) 18 × 10 –20^ e) 18 × 10 – c) 18 × 10 – 2. Un neutrón de 4 × 10 –27^ kg de masa es emitido por un núcleo de uranio, recorriendo 10 m en 2,5 × 10 –4^ s. Determina su ener- gía cinética en joule. a) 9 × 10 –9^ d) 8 × 10 – b) 64 × 10 –20^ e) 32 × 10 – c) 16 × 10 – 3. Si la esfera es soltada en A y parte del reposo, calcula la ra- pidez que tiene en el punto B (R = 10 m)(g = 10m/s^2 ).
143° R
B
A
a) (^2) 10 m/s d) (^4) 10 m/s b) 3 10 m/s e) 2 30 m/s c) 4 15 m/s
4. Cuando lanzamos con rapidez de 10 m/s un ladrillo de 0,5 kg, tal como se muestra, notamos que solamente llega hasta B. ¿Cuánto trabajo realiza la fuer- za de rozamiento sobre dicho ladrillo? (g = 10m/s 2 )
10m/s g^ B
A
q 3m
a) –10 J b) –12 J c) –15 J d) –18 J e) –20 J
Nivel II
5. Un cuerpo es dejado en liber- tad en A y resbala por un canal,
llegando a B con una rapidez de 13 m/s. Si su masa es de 4 kg, ¿qué trabajo realizó el roza- miento sobre el en dicha tra- yectoria?
A 20m
B
R
a) –250 J b) –160 J c)–450 J d) –550 J e) –462 J
6. Un cuerpo es dejado en liber- tad en A y resbala por un canal llegando a B con una rapidez de 16 m/s. Si su masa es de 4 kg, ¿qué trabajo realizó el roza- miento sobre él en dicha tra- yectoria?
A 20m
B
R
a) –288 J b) –157 J c) –460 J d) –430 J e) –120 J
7. Un cuerpo es lanzado sobre una mesa con una rapidez de 10 m/s y luego de avanzar un tramo AB su velocidad es de 6 m/s. Si en todo el trayecto experimen- tó una fuerza de resistencia de 8 N debido al piso áspero, cal- cula la distancia AB
10 m/s 6 m/s
aspero
M=2kg
fr
F
A B
a) 10 m d) 12 m b) 14 m e) 16 m c) 8 m
Tarea
Nivel III
8. Un poyectil de 100 g que lleva- ba una rapidez de 40 m/s, im- pacta en un tronco de madera y penetra en él 3 m ¿Cuál fue el módulo de la fuerza de opo- sición que experimentó el pro- yectil mientras ingresaba en el tronco?
a) 60 N d) 250 N b) 150 N e) 300 N c) 200 N
9. Un proyectil de 400 g, que llevaba una rapidez de 40 m/s, impacta en un tronco de madera y penetra en él 2 m ¿Cuál fue el módulo de la fuerza de oposición que experimentó el proyectil mientras ingresaba en el tronco?
a) 100 N d) 130 N b) 160 N e) 400 N c) 700 N
10. Determina la rapidez posee el collarín liso 0,5 g luego de avanzar 0,3 m desde que fue abandonado, si la longitud na- tural del resorte es de 40 cm y K = 200N/m
0,4m
K
V = 0
a) 1 m/s d) 2 m/s b) 2 m/s e) 3 m/s c) 3 m/s
